Шины промышленные

Шины промышленные: конструкция, материалы, применение и стандарты

Промышленные шины (шинопроводы) представляют собой жесткие токопроводящие элементы, предназначенные для сборки главных и распределительных цепей электрических устройств напряжением до 1000 В и выше в электроустановках переменного и постоянного тока. Они являются ключевым компонентом для передачи и распределения больших токов (от сотен до нескольких тысяч ампер) внутри распределительных устройств (РУ), комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных токопроводов (КТП), а также для соединения силовых трансформаторов, выключателей и другого электрооборудования.

Классификация промышленных шин

Шины классифицируются по нескольким ключевым признакам:

• По форме поперечного сечения:
  • Прямоугольные (полосовые) – наиболее распространенный тип для токов до 4000-5000 А.
  • Коробчатые (двух- и трехполостные) – применяются для токов свыше 4000 А, обладают лучшим соотношением поверхности к сечению, хорошей механической прочностью.
  • Угловые (равнополочные и неравнополочные) – используются в качестве шин заземления, опор для изоляторов, в конструкциях ячеек КРУ.
  • Круглые (сплошные и полые) – реже применяются в силовых цепях, чаще в цепях управления или в качестве гибких токопроводов.
  • Шинные комплекты (пакеты) – несколько параллельных полос, соединенных дистанционными прокладками, для увеличения пропускной способности.
• По материалу изготовления:
  • Медные (Cu).
  • Алюминиевые (Al).
  • Стальные, омедненные или оцинкованные (для цепей заземления).
• По типу изоляции:
  • Голые (неизолированные) – применяются в закрытых электроустановках (щитах, КРУ) при условии защиты от случайного прикосновения.
  • Изолированные – шины с нанесенным слоем изоляции (например, термоусаживаемая трубка, лакокрасочное покрытие), часто используемые в комплектных токопроводах.
  • Шинопроводы – полностью изолированные и заключенные в защитную оболочку системы, состоящие из шин, изоляторов, корпуса и аксессуаров.
• По назначению:
  • Силовые (основные).
  • Нулевые рабочие (N).
  • Нулевые защитные (PE).
  • Совмещенные (PEN).
  • Шины постоянного тока.

Материалы изготовления и их сравнительные характеристики

Выбор материала шины определяется технико-экономическим расчетом, учитывающим токовую нагрузку, условия эксплуатации, стоимость и совместимость материалов.

Параметр	Медь (Cu-ETP, Cu-OF)	Алюминий (Al99,5, AlMgSi)	Сталь оцинкованная
Удельная проводимость, % IACS (международный стандарт отожженной меди)	~100% (58-60 МСм/м)	~61% (35-37 МСм/м)	~10-12%
Плотность, г/см³	8.94	2.70	7.85
Удельное сопротивление при 20°C, Ом*мм²/м	0.01724	0.0280	0.13-0.20
Температурный коэффициент сопротивления, 1/°C	0.00393	0.00403	0.006
Допустимая температура нагрева, °C (длительно)	90-105 (в зависимости от изоляции)	90-105 (в зависимости изоляции)	До 200 (для заземления)
Механическая прочность	Высокая	Средняя (сплавы, например AlMgSi, прочнее)	Очень высокая
Склонность к окислению	Образует проводящую окисную пленку	Образует непроводящую стойкую окисную пленку (Al2O3)	Окисляется, требуется покрытие
Электрохимический потенциал	+0.34 В	-1.66 В	-0.44 В (железо)
Основная сфера применения	Ответственные узлы с высоким током, ограниченным пространством, требованиями к минимальным потерям (главные цепи КРУ, сборные шины)	Распределительные шины, токопроводы, соединения там, где важна легкость и экономия (низковольтные щиты, магистральные шинопроводы)	Шины заземления (PE), цепи выравнивания потенциалов, где не требуется проводимость для рабочего тока

Критически важный аспект: соединение алюминиевых и медных шин напрямую недопустимо из-за гальванической коррозии. Для этого необходимо использовать биметаллические переходные шайбы или накладки (Al-Cu), либо специальные контактные пасты, ингибирующие окисление.

Расчет и выбор сечения шин

Выбор сечения промышленных шин осуществляется по нескольким условиям:

1. По допустимому длительному току (нагреву). Основное условие. Нормируемая температура нагрева шин зависит от класса изоляции присоединяемого оборудования. Для голых шин в закрытых РУ обычно принимается +70°C (окружающая среда +25°C). Данные приведены в ПУЭ (Правила устройства электроустановок) и стандартах ГОСТ Р 52736-2007 (для шин прямоугольного сечения).
2. По термической стойкости при коротком замыкании (КЗ). Сечение должно быть не менее минимального, обеспечивающего, чтобы температура шины при протекании тока КЗ не превысила допустимого значения (для меди ~250-300°C, для алюминия ~200°C). Расчетное сечение: S_min = (I_тер
3. √t_тер) / C, где I_тер – действующее значение тока термической стойкости, t_тер – время его действия, C – коэффициент, зависящий от материала.
4. По электродинамической стойкости. Шина и ее крепления должны выдерживать механические усилия от взаимодействия токов КЗ. Для снижения механического напряжения шины часто устанавливают на ребро. Усилие взаимодействия между шинами рассчитывается по формуле: F = (k 0.2 i_уд²
5. L) / a [Н], где i_уд – ударный ток КЗ, L – длина пролета между изоляторами, a – расстояние между осями шин, k – коэффициент формы.
6. По экономической плотности тока. Применяется для выбора сечения линий, работающих с большим числом часов использования максимума нагрузки (Т > 5000 ч/год).
7. По условиям короны. Для ВЛ и ОРУ напряжением 110 кВ и выше.

Конструктивное исполнение и монтаж

Монтаж шин требует строгого соблюдения правил для обеспечения надежного контакта и механической прочности.

• Подготовка поверхности: Для алюминиевых шин необходимо зачистить оксидную пленку непосредственно перед соединением и нанести кварцевазелиновую или цинк-вазелиновую пасту. Медные шины зачищают от окислов.
• Соединения:
  • Болтовое: Наиболее распространено. Используются стальные оцинкованные болты, гайки, шайбы (пружинные шайбы – обязательны). Момент затяжки нормируется для обеспечения заданного контактного давления.
  • Сварное (стыковая сварка оплавлением, аргонодуговая): Дает наилучшее электрическое соединение, но требует оборудования и квалификации.
  • Обжимное (с помощью специальных гильз и гидропресса): Применяется для неразъемных соединений, ответвлений.
• Компенсаторы: Устанавливаются в длинных шинопроводах для компенсации линейного расширения при нагреве. Представляют собой гибкие вставки из набора тонких ламинированных полос (медных или алюминиевых).
• Маркировка: Шины должны быть окрашены или промаркированы в соответствии с ПУЭ: фаза A – желтый, B – зеленый, C – красный; шина N – голубой; шина PE – чередующиеся продольные желтые и зеленые полосы. На неизолированных шинах краска также улучшает теплоотдачу.
• Зазоры и расстояния: Строго нормируются ПУЭ и зависят от номинального напряжения, чтобы предотвратить пробой и обеспечить безопасное обслуживание.

Стандарты и нормативная документация

• ГОСТ Р 52736-2007: Шины из алюминиевых и алюминиевых сплавов прямоугольного сечения для электротехнических целей.
• ГОСТ 434-78: Шины медные прямоугольного сечения.
• ПУЭ (Глава 1.3, 2.1, 3.4, 4.2): Основополагающий документ, регламентирующий выбор, монтаж и защиту шин.
• ГОСТ Р 50571.5.54-2013 (МЭК 60364-5-54): Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Выбор и монтаж электрооборудования. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов.
• Стандарты МЭК 61439-1, -2: Низковольтные комплектные распределительные и управляющие устройства.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что лучше: медные или алюминиевые шины?

Однозначного ответа нет. Медные шины имеют примерно в 1.5 раза большую пропускную способность при том же сечении, более стойки к коррозии, надежнее в контактах, но значительно дороже и тяжелее. Алюминиевые – легче и дешевле, но требуют большего сечения на тот же ток, специальной обработки контактов и более внимательного контроля затяжки соединений (из-за ползучести алюминия). Выбор делается на основе технико-экономического расчета для конкретного проекта.

2. Как правильно выбрать сечение шины для проекта?

Необходимо выполнить последовательную проверку по всем условиям: 1) По длительному току нагрузки с учетом поправочных коэффициентов на температуру окружающей среды и группировку. 2) По току термической стойкости на стороне с максимальным током КЗ. 3) По электродинамической стойкости. За итоговое принимается наибольшее из полученных сечений.

3. Почему алюминиевые контакты со временем ослабевают и греются?

Основные причины: 1) Эффект ползучести (крипа) алюминия под давлением. 2) Постоянные термоциклические расширения/сжатия. 3) Окисление контактной поверхности, ведущее к увеличению переходного сопротивления. Для предотвращения необходимо: использовать пружинные шайбы, соблюдать момент затяжки, применять контактную пасту, периодически проводить профилактическую подтяжку соединений (особенно в первый год эксплуатации).

4. Можно ли красить шины и как это влияет на теплоотдачу?

Красить шины не только можно, но и необходимо для фазировки. Матовая эмаль темного цвета (черная, серая) практически не ухудшает теплоотдачу по сравнению с неокрашенной поверхностью, так как излучательная способность (ε) у нее выше. Блестящая металлическая поверхность хуже отдает тепло излучением. Основной теплоотвод с шин происходит за счет конвекции.

5. Каковы требования к монтажу шин заземления (PE) и нулевых рабочих шин (N)?

Шина PE должна быть обязательно медной или оцинкованной стальной в электроустановках напряжением до 1 кВ с системой заземления TN-S, TN-C-S. Ее сечение должно быть не менее сечения фазного проводника, а в некоторых случаях нормируется по отношению к сечению питающей линии (см. ПУЭ, табл. 1.7.5). Шина N рассчитывается на длительный рабочий ток, включая токи несимметрии и гармоник. В системах TN-C-S шины PE и N должны быть разделены после вводного устройства и более не соединяться.

6. Что такое шинный мост (шинный мостик) и где он применяется?

Шинный мост – это готовое заводское изделие, представляющее собой жесткую конструкцию из изолированных или неизолированных шин, закрепленных на опорных изоляторах в общем корпусе или без него. Применяется для удобного и быстрого соединения нескольких аппаратов (например, группы автоматических выключателей) с основной сборной шиной в НКУ. Обеспечивает стандартизацию, снижает трудоемкость монтажа и повышает надежность соединений.